Dalijimasis ir sintezė yra skirtingų tipų branduolinės reakcijos, kurių metu energija išsiskiria iš didelės galios ryšių tarp dalelių atomo branduolyje. Atomo branduolys yra stabiliausias, kai rišamosios energijos tarp dalelių yra stipriausios. Tai atsitinka su geležimi ir nikeliu. Lengvesniems atominiams branduoliams energija gali būti išgaunama sujungiant šiuos branduolius, o šis procesas žinomas kaip branduolių sintezė. Branduoliams, sunkesniems už geležies ar nikelio branduolius, energija gali būti išgaunama juos suskaidžius procese, vadinamame branduolio dalijimusi.
Kadangi rišamojoje jėgoje atomo branduolyje yra didžiulė energija, branduolinės reakcijos iš esmės gali suteikti tonų galios. Tačiau praktiniai sumetimai apsunkina branduolinės energijos panaudojimą nei toks paprastas dalykas kaip gaisro kilimas. Skilimui turi būti naudojamos labai išgrynintos žaliavos, dažniausiai urano arba plutonio izotopai. Izotopams teikiama pirmenybė, nes dėl jų nestabilumo juos lengviau suskaidyti. Šių izotopų išvalymas yra itin brangus ir reikalauja kelių milijonų dolerių kainuojančių centrifugų.
Sintezėje turi būti pasiekta itin aukšta slenkstinė energija, norint sujungti atomų branduolius, o reikalinga temperatūra siekia milijonus laipsnių. Gamtoje vienintelė vieta, kur tai įvyksta, yra žvaigždės šerdyje. Perkaitinta plazma ir lazerio galios fokusavimas yra du būdai pasiekti šią slenkstinę energiją. Kadangi medžiaga, kuri naudojama kaip sintezės terpė, turi būti labai karšta, ji turi būti izoliuota nuo aplinkinių medžiagų, naudojant galingus magnetinius laukus arba inercinį izoliavimą, o tai yra Tokamako reaktoriaus principas. Visgi sintezei reikia tiek energijos, kad dar niekas nepastatė reaktoriaus, kuris pagamintų daugiau nei suvartoja.
Neigiami dalijimosi galios aspektai apima ir radioaktyvius šalutinius produktus, ir jų ryšį su branduoliniais ginklais ir gedimais. Per pastarąjį dešimtmetį branduoliniai fizikai sukūrė saugesnius reaktorių kūrimo būdus, įskaitant radioaktyviųjų šalutinių produktų perdirbimo metodus. Dėl šios pažangos JAV vyriausybė vėl pradėjo propaguoti branduolinių reaktorių statybą.